Classification of Microglial Morphological Phenotypes Using Machine Learning

Microglia are the brain’s immunocompetent macrophages with a unique feature that allows surveillance of the surrounding microenvironment and subsequent reactions to tissue damage, infection, or homeostatic perturbations. Thereby, microglia’s striking morphological plasticity is one of their prominent characteristics and the categorization of microglial cell function based on morphology is well established. Frequently, automated classification of microglial morphological phenotypes is performed by using quantitative parameters. As this process is typically limited to a few and especially manually chosen criteria, a relevant selection bias may compromise the resulting classifications. In our study, we describe a novel microglial classification method by morphological evaluation using a convolutional neuronal network on the basis of manually selected cells in addition to classical morphological parameters. We focused on four microglial morphologies, ramified, rod-like, activated and amoeboid microglia within the murine hippocampus and cortex. The developed method for the classification was confirmed in a mouse model of ischemic stroke which is already known to result in microglial activation within affected brain regions. In conclusion, our classification of microglial morphological phenotypes using machine learning can serve as a time-saving and objective method for post-mortem characterization of microglial changes in healthy and disease mouse models, and might also represent a useful tool for human brain autopsy samples

Plant Sterol-Poor Diet Is Associated with Pro-Inflammatory Lipid Mediators in the Murine Brain

Plant sterols (PSs) cannot be synthesized in mammals and are exclusively diet-derived. PSs cross the blood-brain barrier and may have anti-neuroinflammatory effects. Obesity is linked to lower intestinal uptake and blood levels of PSs, but its effects in terms of neuroinflammation—if any—remain unknown. We investigated the effect of high-fat diet-induced obesity on PSs in the brain and the effects of the PSs campesterol and -sitosterol on in vitro microglia activation. Sterols (cholesterol, precursors, PSs) and polyunsaturated fatty acid-derived lipid mediators were measured in the food, blood, liver and brain of C57BL/6J mice. Under a PSs-poor high-fat diet, PSs levels decreased in the blood, liver and brain (>50%). This effect was reversible after 2 weeks upon changing back to a chow diet. Inflammatory thromboxane B2 and prostaglandin D2 were inversely correlated to campesterol and -sitosterol levels in all brain regions. PSs content was determined post mortem in human cortex samples as well. In vitro, PSs accumulate in lipid rafts isolated from SIM-A9 microglia cell membranes. In summary, PSs levels in the blood, liver and brain were associated directly with PSs food content and inversely with BMI. PSs dampen pro-inflammatory lipid mediators in the brain. The identification of PSs in the human cortex in comparable concentration ranges implies the relevance of our findings for humans

Classroom research in religious education: The potential of grounded theory

Grounded theory is one of the most common qualitative research strategies in social sciences. Currently, many applications of this theory are being developed for religious education. In the article it is argued that grounded theory deserves special attention for classroom research in religious education. For this reason, the basic features (fundamental openness and concurrence of data collection and analysis; constant comparison and asking analytical questions) as well as the coding strategies (open, axial, and selective) of grounded theory will be explained and concretised. An analysis of one example sequence demonstrates how grounded theory may be used to emphasise the communicative and substantive aspects (as well as the interaction between the two) of classroom interaction, therefore lending itself to data analysis. In this manner, grounded theory can also be used for an intensive analysis of a student’s learning process, as the authors have done in one student profile analysis, as well as for a comparative analysis of teaching practice in an actual class or even a variety of classes

Auswirkungen einer langfristigen fettreichen Ernährung und anschließender Ernährungsumstellung auf Verhaltensmerkmale und Mikroglia im Mausmodell

Nach Angaben der WHO hat sich die Prävalenz von Adipositas seit 1975 nahezu verdreifacht, wofür neben der genetischen Disposition Sozial- und Umweltfaktoren wie die Kombination aus gesteigerter Fettaufnahme über die Nahrung sowie eine Abnahme der körperlichen Aktivität verantwortlich sind. Der Verzehr einer fettreichen Nahrung und Adipositas sind mit zahlreichen Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Krebs, Störungen des Glukosestoffwechsels und Typ-2-Diabetes verbunden. Darüber hinaus geht eine ernährungsbedingte Adipositas mit kognitiven Defiziten und einem erhöhten Risiko für neurodegenerative Erkrankungen, einschließlich der Alzheimer-Krankheit, einher, indem Entzündungen im Gehirn verstärkt und die Gehirnalterung beschleunigt werden. Der westliche Lebensstil und die ernährungsbedingte Adipositas beeinflussen zudem den funktionalen und morphologischen Phänotyp von Mikrogliazellen. Mikroglia sind immunkompetente Makrophagen des ZNS, die das Hirnparenchym fortlaufend mit ihren mobilen Zellfortsätzen auf Gewebeschäden, Infektionen oder homöostatische Störungen hin überwachen. Indem sie Krankheitserreger, apoptotische Zellen, synaptische Überreste, Toxine und Myelintrümmer aufnehmen, tragen Mikrogliazellen entscheidend zur Homöostase, Plastizität und zum Lernen bei. Die auffällige morphologische Plastizität der Mikroglia ist eine herausragende Eigenschaft dieser Zellen und die Kategorisierung der Funktion von Mikrogliazellen auf Grundlage der Morphologie ist gut etabliert. Häufig wird eine automatische Klassifizierung der morphologischen Phänotypen von Mikrogliazellen anhand quantitativer Parameter vorgenommen. Diese Ansätze sind allerdings auf einige wenige und vor allem manuell ausgewählte Kriterien beschränkt, was das Risiko eines Selektionsbias birgt und die resultierenden Klassifizierungen beeinträchtigen kann. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Mikroglia mit Hilfe eines maschinellen Lernansatzes vier morphologischen Kategorien (verzweigt, stäbchenförmig, aktiviert, amöboid) zugeordnet. Hierfür wurde ein neuronales Faltungsnetzwerk (Convolutional Neural Network (CNN)) mit manuell ausgewählten Mikrogliazellen im Hippocampus und Kortex verschiedener Mausstämme (C57BL/6J-, db/db- und db/+-Mäuse) angewendet. Die entwickelte Methode zur Klassifizierung mikroglialer morphologischer Phänotypen wurde in einem Mausmodell des ischämischen Schlaganfalls, bei dem nachgewiesenermaßen Mikrogliazellen in den betroffenen Hirnregionen aktiviert sind, überprüft und bestätigt. Die vom ischämischen Schlaganfall betroffenen Areale im Hippocampus und Neokortex wiesen mehr aktivierte und stäbchenförmige Mikrogliazellen und folglich weniger verzweigte Mikroglia auf als die relevanten Hirnareale der kontralateralen Hemisphäre. Bereits kleine morphologische Unterschiede in Mikrogliazellen sind mit Hilfe eines CNNs nachweisbar und können auf eine beginnende Veränderung des Aktivierungszustands von Mikrogliazellen und damit auf pathologische Prozesse im Gehirn hinweisen. Im Gegensatz zur konventionellen parameterbasierten Klassifizierung, bei der vor Einteilung der Zellen in morphologische Klassen ausgewählte Parameter berechnet werden müssen, erfordert die auf einem CNN basierende Klassifizierung keine Parameter oder eine Kombination von diesen, sondern lediglich Bildausschnitte einzelner Zellen. Beim Vergleich beider Klassifizierungsmethoden wurde deutlich, dass sich die Festlegung geeigneter Parameterkombinationen und Schwellenwerte als schwierig gestaltet, da es teils sehr große Überlappungen von Parameterwerten zwischen den einzelnen Klassen gibt. Damit bietet die CNN-Klassifizierung, die sich ausschließlich auf den morphologischen Phänotyp stützt, eine leistungsstarke Alternative zur parameterbasierten Klassifizierung. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Auswirkungen einer langfristigen fettreichen Ernährung auf Verhaltensmerkmale, Mikroglia und Neuronen bei Mäusen und etwaige reversible Effekte nach einer Ernährungsumstellung untersucht. Hierfür wurden 8 Wochen alte männliche C57BL/6J-Mäuse genutzt, bei denen für 24 Wochen eine normale Diät (11 kcal% Fett), eine fettreiche Diät (59 kcal% Fett) oder ein Ernährungswechsel durchgeführt wurde. Die Folgen der ernährungsbedingten Adipositas und der Ernährungsumstellung für den allgemeinen Gesundheitszustand, die sensorischen und motorischen Fähigkeiten, das Lernen sowie das Gedächtnis wurden anhand eines angepassten Protokolls zur Bewertung des Phänotyps sowie unter Verwendung von Y-Maze-, Morris-Water-Maze- und Tail-Suspension-Tests untersucht. Neuronen und Mikroglia wurden im mediobasalen Hypothalamus, im Hippocampus und im frontalen motorischen Kortex nach einer langfristigen fettreichen Ernährung sowie einer anschließenden Ernährungsumstellung histologisch analysiert. Eine gesteigerte mikrogliale Reaktion (erhöhte Iba1-Fluoreszenzintensität, gesteigerter Anteil der Iba1-gefärbten Fläche und höhere Genexpression von Iba1) auf eine 24-wöchige fettreiche Ernährung war auf den Hypothalamus begrenzt und bestätigte vorangegangene Studien. Die detaillierte quantitative Analyse der mikroglialen Morphologie unter Verwendung des im ersten Teil dieser Arbeit beschriebenen und für Fluoreszenzaufnahmen angepassten Ansatzes zeigte bei Mikrogliazellen im Kortex und Hippocampus adipöser Mäuse keine Veränderungen in relevanten morphologischen Parametern. Eine Vergrößerung von Zell- und Somafläche oder eine verringerte Länge der Fortsätze der Mikrogliazellen hätte z. B. auf einen aktivierten morphologischen Phänotyp hingedeutet. In keiner der drei analysierten Hirnregionen wurden dystrophe Mikrogliazellen, eine Neurodegeneration oder eine Anhäufung intrazellulärer Lipidtröpfchen, wie in der Leber untersucht und nachgewiesen, beobachtet. Eine fettreiche Ernährung für 24 Wochen führte zu allgemeinen Gesundheitsproblemen in Form von Fellveränderungen (struppiges Fell mit kahlen Stellen) und Vibrissenverlust. Sensorische oder motorische Fähigkeiten und der emotionale Zustand (z. B. Motivation) adipöser Mäuse waren nicht eingeschränkt verglichen mit altersentsprechenden Kontrollmäusen (normale Ernährung oder kürzere Zeit auf fettreicher Ernährung mit anschließender Ernährungsumstellung). Dadurch konnte ausgeschlossen werden, dass die Motivation oder Leistung in den weiteren Verhaltenstests durch Veränderungen des emotionalen Zustands, schwere motorische Probleme oder eingeschränkte Reflexe beeinflusst wurde. Das Kurz- und Langzeitgedächtnis der Versuchstiere war durch eine lang anhaltende fettreiche Ernährung nicht beeinträchtigt. Mäuse, denen für längere Zeit eine fettreiche Ernährung verabreicht wurde, hielten allerdings im Vergleich zu Kontrolltieren beim Morris-Water- Maze-Test an ihrer alten Suchstrategie fest, indem sie den alten, bekannten Standort der Plattform bevorzugten, anstatt andere Quadranten zu überprüfen. Die ernährungsbedingte Adipositas hatte demzufolge bei Mäusen dieser Studie, die ab einem Alter von 8 Wochen eine fettreiche Ernährung erhielten, zwar keine Defizite beim Lernen und Langzeitgedächtnis zur Folge, könnte aber die kognitive Flexibilität beeinflusst haben. Mäuse profitierten erwartungsgemäß hinsichtlich ihres Gewichts von einer Ernährungsumstellung auf eine normale Diät. Eine morphologische Aktivierung mikroglialer Zellen im mediobasalen Hypothamus, wie nach 24 Wochen fettreicher Diät beobachtet, wurde bei Mäusen, die nach einer 24-wöchigen fettreichen Ernährung auf eine normale Ernährung für 4 Wochen umgestellt wurden, nicht beobachtet und war demnach reversibel. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass lange Zeiträume mit übermäßigem Fett in der Nahrung allein keine Lerndefizite oder Beeinträchtigungen des räumlichen Gedächtnisses verursachen, obwohl eine ernährungsbedingte Adipositas nachteilige Folgen für die kognitive Flexibilität haben kann und Mäuse von einer Ernährungsumstellung profitieren. Keine Defizite im Kurz- und Lachzeitgedächtnis nach einer langfristigen fettreichen Ernährung stehen nicht im Einklang mit Ergebnissen anderer Studien, was auf unterschiedliche Diäten, abweichendes Alter der Mäuse oder Überinterpretation zurückzuführen sein könnte. Insbesondere die Art der Nahrung sowie die genaue Zusammensetzung des Futters sind entscheidend für die Interpretation von Daten und somit für die therapeutischen Konsequenzen für Stoffwechselerkrankungen und kognitive Störungen. Zum besseren Verständnis des Zusammenhangs unterschiedlicher Risikofaktoren für neurodegenerative Erkrankungen wie M. Alzheimer und zur Untersuchung der zugrunde liegenden Mechanismen im Mausmodell ist es nach Betrachtung der aktuellen Studienlage notwendig, den Fokus auf die Futterzusammensetzung und das Alter bei Beginn der Fütterungsstudie zu legen.:1. Einleitung 3 1.1 Mikroglia 3 1.1.1 Funktion der Mikroglia 3 1.1.2 Morphologie der Mikroglia 5 1.1.3 Darstellung der Mikroglia mit Iba1 7 1.2 Automatisierte Klassifizierung und Quantifizierung mikroglialer morphologischer Phänotypen 7 1.3 Verhaltensphänotypisierung von Mäusen 8 1.4 Morbus Alzheimer 9 1.5 Adipositas 10 1.5.1 Mikrogliale Reaktion auf fettreiche Ernährung und Adipositas 11 1.5.2 Adipositas als Risiko für M. Alzheimer 13 1.5.3 Mausmodelle für Adipositas 14 2. Fragestellungen 16 3. Publikationen 17 3.1 Classification of Microglial Morphological Phenotypes Using Machine Learning 17 3.2 Long-term diet-induced obesity does not lead to learning and memory impairment in adult mice 39 4. Zusammenfassung 81 5. Literaturverzeichnis 85 6. Darstellung des eigenen wissenschaftlichen Beitrags 97 7. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 99 8. Lebenslauf 100 9. Publikationsliste 101 10. Danksagung 10

Classification of Microglial Morphological Phenotypes Using Machine Learning

Microglia are the brain’s immunocompetent macrophages with a unique feature that allows surveillance of the surrounding microenvironment and subsequent reactions to tissue damage, infection, or homeostatic perturbations. Thereby, microglia’s striking morphological plasticity is one of their prominent characteristics and the categorization of microglial cell function based on morphology is well established. Frequently, automated classification of microglial morphological phenotypes is performed by using quantitative parameters. As this process is typically limited to a few and especially manually chosen criteria, a relevant selection bias may compromise the resulting classifications. In our study, we describe a novel microglial classification method by morphological evaluation using a convolutional neuronal network on the basis of manually selected cells in addition to classical morphological parameters. We focused on four microglial morphologies, ramified, rod-like, activated and amoeboid microglia within the murine hippocampus and cortex. The developed method for the classification was confirmed in a mouse model of ischemic stroke which is already known to result in microglial activation within affected brain regions. In conclusion, our classification of microglial morphological phenotypes using machine learning can serve as a time-saving and objective method for post-mortem characterization of microglial changes in healthy and disease mouse models, and might also represent a useful tool for human brain autopsy samples

Classification of Microglial Morphological Phenotypes Using Machine Learning

Microglia are the brain’s immunocompetent macrophages with a unique feature that allows surveillance of the surrounding microenvironment and subsequent reactions to tissue damage, infection, or homeostatic perturbations. Thereby, microglia’s striking morphological plasticity is one of their prominent characteristics and the categorization of microglial cell function based on morphology is well established. Frequently, automated classification of microglial morphological phenotypes is performed by using quantitative parameters. As this process is typically limited to a few and especially manually chosen criteria, a relevant selection bias may compromise the resulting classifications. In our study, we describe a novel microglial classification method by morphological evaluation using a convolutional neuronal network on the basis of manually selected cells in addition to classical morphological parameters. We focused on four microglial morphologies, ramified, rod-like, activated and amoeboid microglia within the murine hippocampus and cortex. The developed method for the classification was confirmed in a mouse model of ischemic stroke which is already known to result in microglial activation within affected brain regions. In conclusion, our classification of microglial morphological phenotypes using machine learning can serve as a time-saving and objective method for post-mortem characterization of microglial changes in healthy and disease mouse models, and might also represent a useful tool for human brain autopsy samples

Plant Sterol-Poor Diet Is Associated with Pro-Inflammatory Lipid Mediators in the Murine Brain

Plant sterols (PSs) cannot be synthesized in mammals and are exclusively diet-derived. PSs cross the blood-brain barrier and may have anti-neuroinflammatory effects. Obesity is linked to lower intestinal uptake and blood levels of PSs, but its effects in terms of neuroinflammation—if any—remain unknown. We investigated the effect of high-fat diet-induced obesity on PSs in the brain and the effects of the PSs campesterol and -sitosterol on in vitro microglia activation. Sterols (cholesterol, precursors, PSs) and polyunsaturated fatty acid-derived lipid mediators were measured in the food, blood, liver and brain of C57BL/6J mice. Under a PSs-poor high-fat diet, PSs levels decreased in the blood, liver and brain (>50%). This effect was reversible after 2 weeks upon changing back to a chow diet. Inflammatory thromboxane B2 and prostaglandin D2 were inversely correlated to campesterol and -sitosterol levels in all brain regions. PSs content was determined post mortem in human cortex samples as well. In vitro, PSs accumulate in lipid rafts isolated from SIM-A9 microglia cell membranes. In summary, PSs levels in the blood, liver and brain were associated directly with PSs food content and inversely with BMI. PSs dampen pro-inflammatory lipid mediators in the brain. The identification of PSs in the human cortex in comparable concentration ranges implies the relevance of our findings for humans

Plant Sterol-Poor Diet Is Associated with Pro-Inflammatory Lipid Mediators in the Murine Brain

Plant sterols (PSs) cannot be synthesized in mammals and are exclusively diet-derived. PSs cross the blood-brain barrier and may have anti-neuroinflammatory effects. Obesity is linked to lower intestinal uptake and blood levels of PSs, but its effects in terms of neuroinflammation—if any—remain unknown. We investigated the effect of high-fat diet-induced obesity on PSs in the brain and the effects of the PSs campesterol and β-sitosterol on in vitro microglia activation. Sterols (cholesterol, precursors, PSs) and polyunsaturated fatty acid-derived lipid mediators were measured in the food, blood, liver and brain of C57BL/6J mice. Under a PSs-poor high-fat diet, PSs levels decreased in the blood, liver and brain (>50%). This effect was reversible after 2 weeks upon changing back to a chow diet. Inflammatory thromboxane B2 and prostaglandin D2 were inversely correlated to campesterol and β-sitosterol levels in all brain regions. PSs content was determined post mortem in human cortex samples as well. In vitro, PSs accumulate in lipid rafts isolated from SIM-A9 microglia cell membranes. In summary, PSs levels in the blood, liver and brain were associated directly with PSs food content and inversely with BMI. PSs dampen pro-inflammatory lipid mediators in the brain. The identification of PSs in the human cortex in comparable concentration ranges implies the relevance of our findings for humans

Plant Sterol-Poor Diet Is Associated with Pro-Inflammatory Lipid Mediators in the Murine Brain

Plant sterols (PSs) cannot be synthesized in mammals and are exclusively diet-derived. PSs cross the blood-brain barrier and may have anti-neuroinflammatory effects. Obesity is linked to lower intestinal uptake and blood levels of PSs, but its effects in terms of neuroinflammation—if any—remain unknown. We investigated the effect of high-fat diet-induced obesity on PSs in the brain and the effects of the PSs campesterol and -sitosterol on in vitro microglia activation. Sterols (cholesterol, precursors, PSs) and polyunsaturated fatty acid-derived lipid mediators were measured in the food, blood, liver and brain of C57BL/6J mice. Under a PSs-poor high-fat diet, PSs levels decreased in the blood, liver and brain (>50%). This effect was reversible after 2 weeks upon changing back to a chow diet. Inflammatory thromboxane B2 and prostaglandin D2 were inversely correlated to campesterol and -sitosterol levels in all brain regions. PSs content was determined post mortem in human cortex samples as well. In vitro, PSs accumulate in lipid rafts isolated from SIM-A9 microglia cell membranes. In summary, PSs levels in the blood, liver and brain were associated directly with PSs food content and inversely with BMI. PSs dampen pro-inflammatory lipid mediators in the brain. The identification of PSs in the human cortex in comparable concentration ranges implies the relevance of our findings for humans

ILC Reference Design Report Volume 1 - Executive Summary

The International Linear Collider (ILC) is a 200-500 GeV center-of-mass high-luminosity linear electron-positron collider, based on 1.3 GHz superconducting radio-frequency (SCRF) accelerating cavities. The ILC has a total footprint of about 31 km and is designed for a peak luminosity of 2x10^34 cm^-2s^-1. This report is the Executive Summary (Volume I) of the four volume Reference Design Report. It gives an overview of the physics at the ILC, the accelerator design and value estimate, the detector concepts, and the next steps towards project realization.The International Linear Collider (ILC) is a 200-500 GeV center-of-mass high-luminosity linear electron-positron collider, based on 1.3 GHz superconducting radio-frequency (SCRF) accelerating cavities. The ILC has a total footprint of about 31 km and is designed for a peak luminosity of 2x10^34 cm^-2s^-1. This report is the Executive Summary (Volume I) of the four volume Reference Design Report. It gives an overview of the physics at the ILC, the accelerator design and value estimate, the detector concepts, and the next steps towards project realization